Встроенные модули КЭ-анализа в CAD-системах

Преимущество – полная интеграция с CAD, включая ассоциативную связь между геометрической моделью и расчётной КЭ-моделью: параметрические изменения геометрической модели автоматически переносятся на сеточную КЭ-модель. 

Недостаток – возможны ограничения по сравнению с автономными  системами. В этом смысле встроенные модули анализа «тяжелых» и «средних» CAD-систем существенно различаются по своим возможностям. 

В CAD-системах высокой мощности модули CAE сохраняют практически все возможности автономных систем анализа. Модуль UG/FEA системы Unigraphics и модуль SimDesigner системы  CATIA представляют собой именно такие встроенные версии CAE-системы MSC/NASTRAN. Вместе с тем эти модули сохраняют и характерные для автономных CAE-систем высокие требования к уровню подготовки пользователя. 

В CAD-системах среднего уровня обычно используются редуцированные версии CAE-систем, в той или иной мере ограниченные по своим возможностям т.е. по сложности расчетной модели, составу задач и доступных методов их решения. Преимуществом таких решений являются пониженные требования к квалификации пользователя и высокая степень автоматизации. Эти системы могут быть реализованы как в виде расчетных блоков, встроенных непосредственно в CAD-систему, так и в виде дополнений к ней.

Судя по опубликованным результатам, такие встроенные модули решают не все задачи, свойственные «родительским» системам, но задачи, доступные для них, решают не хуже, чем полнофункциональные системы. 

[Басов А.К. ANSYS в примерах и задачах, 2002]:

AutoCAD Mechanical Power Pack:  

· возможен анализ только 2D объектов для случаев плоского напряженного или плоского деформированного состояния; расчет осесимметричных деталей невозможен;

· конечные элементы – только треугольные (1-го порядка).

Autodesk Mechanical Desktop Power Pack:

· возможен анализ 3D объектов;

· возможно приложение сил и закреплений по поверхности.

Сравнение точности  решения задач

Большинство фирм-разработчиков КЭ-систем наряду с автономными системами поставляют их специализированные версии для интеграции с CAD-системами. Например: 

Фирма MacNeal - Schwendler Corp .: автономная система MSC/NASTRAN и интегрируемая в Mechanical Desktop, SolidWorks, Solid Edge версия – MSC/InCheck (позднее Working Model / FEA). С начала 2000-х гг. в качестве такой версии выступает Visual Nastran.

Фирма  ANSYS Inc .: автономная система ANSYS и интегрируемая с SolidWorks, Mechanical Desktop и другими CAD-системами версия Design Space (for …). В настоящее время входит в состав комплекса ANSYS Workbench как один из вариантов лицензии для модуля DesignSimulation.

Фирма  Structural Analysis & Design Corp .: полнофункциональная система COSMOS/M, интегрируемая в  SolidWorks версия  COSMOSWorks, встроенная в SolidWorks версия – COSMOS/Xpress.

Фирма CADSI: интегрируемые в SolidWorks модули DesignWorks /Structure, DesignWorks /Thermal. (С 2001 г. развитие системы прекращено) 

Основные ограничения возможностей интегрируемых версий КЭ-систем, как и встроенных модулей КЭ-анализа, выражаются в составе решаемых задач, а также в сложности сетки и разнообразии используемых типов элементов.   

Состав задач : Обычно линейный статический анализ, частотный анализ, анализ устойчивости и тепловой анализ, в последнее время – отдельные нелинейные задачи.

Типы конечных элементов : Автономные системы позволяют использовать различные типы элементов, как по форме – стержневые, мембранные, пластинчатые, объемные и др., так и по физической природе – прочностные, тепловые, акустические и смешанные.  

«Облегченные» версии используют лишь несколько типов, а иногда только какой-либо один тип элементов – тетраэдральные (4-гранные), p -элементы (5-гранные) или h -элементы (6-гранные). 

Эти КЭ могут использоваться как элементы первого или второго порядка. Например, тетраэдральные КЭ могут быть четырехузловыми или десятиузловыми (см. рис.). 4-узловые элементы обеспечивают линейную аппроксимацию искомой функции (перемещений, температуры и др.) в пределах объема элемента, а 10-узловые КЭ – квадратичную аппроксимацию, они также лучше аппроксимируют криволинейные границы. Поэтому можно выбрать для быстрой качественной оценки линейный КЭ, а для ответственного количественного анализа – квадратичный КЭ. 

Хотя ограничение на число типов КЭ преодолевается по мере выхода новых версий систем, однако по разнообразию типов элементов эти системы все равно уступают автономным системам анализа.

Условия закрепления и внешние нагрузки в «облегченных» версиях не могут быть заданы произвольно, они должны выбираться из хорошо продуманных, но все же ограниченных списков. Примеры таких списков для COSMOSWorks приведены ниже.

Условия закрепления (фрагмент)	Условия нагружения (фрагмент)

К числу наиболее распространенных CAE-приложений для CAD-систем среднего уровня можно отнести системы Design Space, COSMOSWorks, T-FLEX Анализ.   

● Design Space (прежнее название ANSYS/AutoFEA) первоначально был предназначен только для расчетов статической прочности конструкций и определения форм и частот колебаний. По мере развития системы стали возможны задание нелинейных свойств материала, анализ сборок,  задание разных материалов деталей, регулировка расчетов «скорость – точность», задание различной точности расчетов для разных деталей в одной сборке.

Генерация сетки автоматическая, тип КЭ – тетраэдр с прямолинейными или дугообразными ребрами.  

Граничные условия: внешние нагрузки 3 типов – давление, сосредоточенные силы, предписанные перемещения – прилагаются либо к граням или ребрам модели, либо к узлам сетки. 

Свойства материала извлекаются из библиотеки. 

Результаты – перемещения; эквивалентные напряжения s _экв; три главных напряжения s ₁ , s ₂ , s ₃; запасы прочности по одной из 4 теорий. 

Визуализация – деформированная конфигурация и цветовые зоны.

Структура системы

Design Space Explorer – базовый модуль (работа с геометрической моделью, задание граничных условий, визуализация).

Stress Wizard – модуль расчета на прочность (механические нагрузки - давление, силы, моменты, перемещения; тепловые воздействия - тепловой поток, конвекция, температура).

Vibration Wizard – модуль расчета собственных частот (анализ для первых шести гармоник).

Shape Wizard – модуль оптимизации формы детали (снижение массы на заданную величину).

Web Report – модуль создания отчетов (HTML или DOC).

Advanced Controls – модуль подготовки и передачи данных в другие системы, например, ANSYS.

Среди интересных возможностей Design Space – функция топологической оптимизации (оптимизации формы) изделия [СГ 1-2001]; которая ранее была реализована только в тяжелых системах (см. предыдущую тему).   

По мнению экспертов возможности Design Space позволяют эффективно использовать его только для предварительных расчетов. 

Возможности автоматизации процесса моделирования – подлежат уточнению. Design Space входит в состав программного комплекса ANSYS Workbench Products; позволяет задавать сценарии расчета для разных вариантов исходных данных ...